Рекурсивный цифровой фильтр

 

Изобретение относится к радиотехнике Цель изобретения - повышение точности фильтрации путем уменьшения шумов квантования Рекурсивный цифровой фильтрсодержитсумматор 1,умножители 2 и 3, регистры 4, 5, 6 и 7, блоки 8 и 9 памяти, компараторы 10, 11, 12 и 13, элементы И 14 и 15 и счетчики 16 и 17. В данном фильтре в ветви обработки кодовой последовательности (КП) масштабируют входную и выходную КП на величины Я - где А - величина масштабирующего коэффициента , и 1 /2 соответственно. Поокончании масштабирования выходной КП в ветви обработки КП из нее выделяют составляющую ошибки, которую масштабируют на Я , квантуют путем округления и суммируют с входной масштабированной КЛ в ветви обработки КП. Уменьшение шумов квантования обеспечивается путем создания компенсирующей петли обратной связи по составляющей ошибки округления. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5/)s Н 03 Н 17/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1582334 (2 1) 4407370/09 (22) 11.04.88 (46) 15.06.91. Бюл. № 22 (72) О.Г).Жданов и Ф.А.Шаймарданов (53) 621.396.96(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1582334 кл. Н 03 Н 17/04, 1989, (54) РЕКУРСИВНЫЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР (57) Изобретение относится к радиотехнике, Цель изобретения — повышение точности фильтрации путем уменьшения шумов квантования. Рекурсивныйцифровойфильтрсодержитсумматор1,умножители 2 и 3, регистры 4, 5, 6 и 7, блоки 8 и 9 памяти, компараторы 10, Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано для фильтрации сигналов в системах измерения, управления, связи, обработки данных в радиолокации, вычислительной технике и является усовершенствованием основного изобретения по авт.св. N 1582334.

Цель изобретения — повышение точности фильтрации путем уменьшения шумов квантования.

На фиг,1 приведена электрическая структурная схема рекурсивного цифрового фильтра.

Рекурсивный цифровой фильтр содержит сумматор 1, первый и второй умножители 2 и 3, первый, второй, третий и четвертый регистры 4, 5, 6 и 7, первый и второй блоки памяти 8 и 9, первый, второй, третий и четвертый компараторы 10, 11, 12 и 13, первый и второй элементы И 14 и 15, первый и второй счетчики 16 и 17.

В рекурсивном цифровом фильтре по основному изобретению в петле обратной связи раздельно обрабатывают кодовую по„„. Ж „„1656672 А2

11, 12 и 13, элементы И 14 и 15 и счетчики

16 и 17, В данном фильтре в ветви обработки кодовой последовательности (КП) масштабируют входную и выходную КП на величины

Я - гдето — величина масштабирующего коэффициента, и 1/2 ссютветственно. По окончании масштабирования выходной КП в ветви обработки КП из нее выделяют составляющую ошибки, которую масштабируют на А, квантуют путем округления и суммируют с входной масштабированной КП в ветви обработки КП. Уменьшение шумов квантования обеспечивается путем создания компенсирующей петли обратной связи по составляющей ошибки округления. 2 ил..l следовательность У (n), являющуюся ближайшей в сторону уменьшения от выходной посл едовател ь ности Y(n), удовле творя ющей условию: с (Y(n) Ъ,- int (У (n) Ь, + 0,5) (а

+ где Е> (1) евай аЬ1 и b2 коэффициенты ветвей и петли об- О ратной связи, и кодс)вую последователь- (Л. ность hY(n) = Y(n) - Y(n), причем в ветвях (О обработки кодовой последовательности Y(n) Qi квантуют каждое произведение, а в ветвях обработки кодовой посл едовател ьн ости, )

AV(n) — сумму, в ветвях обработки кодовой последовательности Y(n) анализируют состояние узлов разветвления и в случае достижения последними нулевого состояния квантование суммы посредством округления в ветвях обработки кодовой последовательности

ЛУ(п) заменяют квантованием путем усечения.

В предлагаемом устройстве в отличии от прототипа в ветви обработки кодовой последовательности Л Y(n) масштабируют

1656672 входную и выходную кодовую последовательности на величины А и 1/2, соответственно, где

%= nt (Я) а N — общее число разрядов, по окончании масштабирования выходной кодовой последовательности в ветви обработки кодовой последовательности ЛУ(п) из нее выделяют составляющую ошибки, которую масштабируют на А, квантуют путем округления и суммируют с входной масштабированной кодовой последовательностью в ветви обработки кодовой последовательности hY(n), Полный шум округления на выходе фильтра по основному изобретению оценивается при помощи выражения

G 2 G (fl 5 (j 5)1 II + ы я )) () га) )) с W

2 где оо =- 1 —,о, = — - -,11 (I-ар норма от

12 313

Bgo)), где В()в) — передаточная функция от точки приложения шума до выхода фильтра, а q — единица младшего разряда. Из (3) видно, что даже при. достаточно большом выбранном! шум округления на выходе будет значительным, поскольку он будет определяться вторым слагаемым (верхними ветвями, которые не являются идеальными), что ограничивает уменьшение шума округления по сравнению с обычным фильтром не более, чем на половину.

Однако. в ветвях обработки AY(n), генерирующих большой шум, уровень ЛУ(п) ограничивается некоторым ЬУ(п)тах, где

AY(n)max при I =(5-10) в большинстве случаев находится в пределах 6-20 единиц младшего разряда, что создает возможность осуществить такое преобразование, при котором ошибка округления уменьшится на величину масштабирующего коэффициента А, который будет определяться как

gN а= п, (1 (4) где N — длина разрядной сетки. Для этого входную и выходную последовательности этих ветвей масштабируют на А и 1/2 соответственно и создают компенсирующую петлю обратной связи по составляющей ошибки округления, которую выделяют на выходе ветвей обработки ЛУ(п), также масштабируют и суммируют с уже масштабирова н н ым Л У(п). Следует отметить, что в других способах фильтрации подобное преобразование невозможно, поскольку компенсирующая величина равна ошибке округления или Ek q/2, т.е, меньше единицы младшего разряда и следовательно ее невоэможно учитывать. В данном случае компенсирующая величина о енивается как

Е,.Мt Л Е,(1и) О,5 (Л) где lo(fed J — выделенная составляющая

5 ошибки, Таким образом, при больших Я Ek выполняет компенсацию с большой точностью.

На фиг.2 изображена топологическая схема, иллюстрирующая принцип работы

10 рекурсивного цифрового фильтра, Ошибка округления на выходе фильтра оценивается как

0(, ы)-2Е,(;ц) В(ju).(Я,()я)В(ц1

15 и поскольку

fsP.,(jU)- <(C,(jM О 5)) = R (ja) (7) т.е. разность между точным значениеМ и округленным равна ошибке округления, то, 20 подставляя (7) в (6), получим

О,() ю)

e(ju)-2å,(ы в() ц1., в, и е или, переходя к шуму, получим

25 -ы ф ()))),, @1) () Я))), (9)

Принимая, что при I = 5 — 10 Л У(п)пазх находится в пределах 6-20, а N = 16 в случае стандартного формата, второе слагаемое (9) оказывается пренебрежимо мало, а общее

30 улучшение шума округления оценивается как

26 !) (iu)llя 6î il e(i 1)) а 2 са бе ( е

35 или

8/Е, )ы. я и лги E )Б — 1о) fu 4 — lg qgj

Рекурсивный цифровой фильтр работа40 ет в соответствии с раэностным уравнением

Y(\.Х() integer f Yin-f) b,iI/р) е а

° 1 1е Ег )Y (n 2) be+ I/Р) +

i inteqer(eY(n-i) Ь,+ а Г(п-21b, i O,ej (Я)

45 Рекурсивный цифровой фильтр работает следующим образом, Входная кодовая последовательность

X(n) поступает на один иэ входов первого сумматора 1, где суммируется со вторым и

50 третьим слагаемым разностного уравнения (12), поступающих с выходов умножителей

2, 3, и четвертым слагаемым с выхода второго блока памяти 9, Результирующая кодовая последовательность Y(n) поступает на вы55 ход фильтра, и старшие разряды поступают на адресный вход первого блока памяти 8 и вход старших разрядов первого регистра 4, а младшие разряды поступают на вход паоаллельной записи первого счетчика 16, 1656672 о

Первый блок памяти 8 формирует граничные значения эоны Y (n), когорые подаются на первые входы первого и второго компараторов 10 и 11, одновременно на вторые их входы подается код с выхода первого счетчика 16. Первый счетчик 16 считает в сторону уменьшения до тех пор, пока на его выходе не окажется в границах эоны

Y (n), В этом случае первый и второй компаратор 10, 11 вырабатывают сигналы, которые, объединяясь на первом элементе И 14, создают сигнал. который останавливает счет первого и второго счетчиков. После этого код с первого счетчика 16 вместе со старшими разрядами с выхода первого сумматора

1 записывается в первый регистр 4, образуя составляющую Y(n), причем перед этим код, код, находившийся в первом регистре 4, переписывается во второй регистр 5. Коды с выходов первого и второго регистров 4, 5 поступают на умножители 2, 3, где они умножаются на коэффициенты Ь1, Ьр и квантуются, образуя новые вторые и третьи слагаемые разностного уравнения (12).

Второй счетчик 17 считает от нуля в сторону увеличения, формируя составляющую

ЛУ(п), Для упрощения предлагаемого устройства коэффициент масштабирования выбирают как г 1 (13) и таким образом, операция масштабирования на Я и 1/2 эквивалентна сдвигу на m разрядов вправо и влево соответственно. В результате составляющая ЛУ(п) сдвигается на m разрядов и подается на вход старших разрядов третьего регистра 6. На вход младших разрядов третьего регистра 6 записывается компенсирующая составляющая Е, формируемая в петле компенсации, причем перед этим код, находившийся в регистре 6, записывается в четвертый регистр 7 Пас с этого коды с выхода регистров 6, . поступают на адресные входы второго блока л",г я1и

9, где умножаются коэффициенты Ь и Ь

5 квантуются и поступают на выходы в о Dfo блока памяти 9, Младшие разряды от n-m до п на выходе второго блока памяти 9 эквиваленты промасштабированной и квантованной компенсирующей составляющей Ек

10 Составляющая Ек с выхода младших разрядов подается на входы младших разрядов третьего регистра задержки 6. Старшие разряды с выхода второго блока памяти 9 масштабируются на 1/А, округляются и

15 формируют четвертое слагаемое разностного управления (12). h.роме того, коды с выхода второго и первого, регистра 4. 5 поступают на входы компараторов 12 и 13, и в случае их равенства нулю компараторы 12.

20 13 вырабатывают сигналы, которые. обьединяясь на втором элементе И 15. создают сигнал, который подается на вход второго блока памяти 9, переводя последний из режима округления в режим усечения.

25 Использование предлагаемого устрои ства по сравнению с устройством по основному изобретению позволяет уменьшить шум округления на величину, определяемую равенством (10, 11). Так, в большинстве слу30 чаях при I = 5 — 10 возможно уменьшение шума в 4 — 12 раз, что обеспечивает более точную и следовательно более качественную фильтрацию.

Формула изобре гения

35 Рекурсивный цифровой фильтр по авт.св.

N. 1582334, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фильтрации нутом уменьшения шумов квантования, дополнительный выход второго блока памяти соединен с

40 дополнительным входом третьего регистра.

1656672

Составитель Л, Тимошина

Редактор М. Самерханова Техред М.Моргентал Корректор Н Король

Заказ 2312 Тираж 455 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101